LC谐振放大器(郭1)

1、摘要：系统由程控衰减模块、前置放大模块、LC谐振放大模块和带通滤波模块组成。衰减模块由型无源衰减器构成。放大模块由可调放大环节和 LC 谐振放大环节组成，其中放大环节由芯片 AD603 搭建。LC 谐振放大环节由分立元件搭建，最终可以实现手动增益的连续可调。 整个系统可实现15MHZ小信号40dB衰减，输入放大器后实现80dB高增益放大,输出级40dB范围内自动增益可控，末级经功率放大电路后驱动200负载电阻。总的来说，本系统基本符合指标的要求。关键字：衰减器，放大电路，LC 谐振，AGC自动增益，高频小信号 Abstract: The system is composed of progra

2、m-controlled attenuator module, a preamplifier module, LC resonant amplification module and the band pass filter module. Attenuation module bytype passive attenuator. Amplifier module by adjustable amplifying link and LC resonant amplification circuit, the amplifying link by AD603 chip set. LC reson

3、ant amplifying link is set up by the discrete components, finally can realize manual gain continuously adjustable. The whole system can be realized 15MHZ small signal attenuation of 40dB, after the 80dB input amplifier high gain amplification, the output stage 40dB range automatic gain control, fina

4、l through a power amplification circuit to drive the 200 load resistance. In general, this system basically meets the requirements.Keywords: attenuator, amplifying circuit, LC resonance, AGC automatic gain, high frequency small signal目录一、前言4二、总体方案设计41、增益控制部分42、LC谐振放大部分53、总体方案描述5三、理论分析与计算51、衰减器52、谐振频

5、率53、放大倍数64、-3dB带宽65、选择性矩形系数6四、单元模块设计71、衰减电路72、第一级放大电路设计73、后级LC谐振放大电路84、滤波8五、放大器各项性能指标及测量方法91、测试仪器92、测试方案和结果9六、结论10七、参考文献10一、前言谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在发射设备中，为了有效地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率，这就要用高频谐振放大器将信号放大到所需的发射功率；在接受设备中，从天线上感应到的信号是非常微弱的，一般在级，要将传送的信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。高频功率放大器

6、的主要功能是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。它主要应用于各种无线电发射机中。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率，送到天线发射出去。高频功放的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。已知能量（功率）是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率，因此除要求高频功放产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽可能高的转换效率。应当指

7、出，尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。低频功放的工作频率低，但相对频带很宽。工作频率一般在20-20000Hz，高频端与低频端之差达1000倍。所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，但相对频带一般很窄。例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1%。因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一

8、样，其负载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。二、总体方案设计1、增益控制部分 方案1：增益可控运放。增益的衰减量由可控运放加在其增益控制端口的参考电压决定，而这个参考电压课通过单片机控制D/A芯片输入电压决定，因此这种运放的增益精度高，最大增益误差小于 0.5dB 。但是，这样的零漂一般比较大，而且不能选择频带。 方案2：有源带通滤波器。用单个通用运算放大器结成点电源供电模式，易于实现。他的上限截止频率和下限截止频率可以非常接近，具有非常强的选择性，且增益、品质因数都容易调节，因此在工程中应最为广泛。有些特性容易同事满足。 方案3：电阻衰减网络。目前

9、，安捷伦、泰克等公司生产的示波器、频谱仪等仪器，一般采用电阻网络来控制衰减。电阻衰减网络由电阻搭建，其增益误差有电阻的精度决定。通过继电器切换可实现增益的的步进。这种电阻万路过对后级零漂基本无影响，噪声低，工作频率动态范围大，输入输出阻抗稳定。通过并联LC谐振电路可是实现带宽的选择。 综合考虑，精密性、稳定性和特性指标的实现等因素后，我们选择电阻衰减网络来实现增益的衰减控制。 2、LC 谐振放大部分 方案1：分立元件搭建谐振电压输出放大器。使用分立元件搭建的LC谐振放大电路，可以经过计算得到合适的输入输出阻抗、放大倍数及谐振带宽。电阻和电容可根据需要跟换设计灵活。 方案2：集成芯片与分立元件混

10、合搭建。集成芯片电路简单，使用方便，性能稳定，可用集成芯片和分立元件混合搭建实现题目要求。集成芯片AD603的输入电阻100，压摆率位275V/s，增益在-11dB30dB,增益可调。该芯片低噪声、低畸变、高精益的压控 VGA 芯片。可广泛用于射频自动增益放大（AGC）电路电路。并在芯片输出级联上LC谐振放大电路,放大倍数和带宽的要求。 虽然分立元件搭建功率输出电路优点众多，但单级 LC 谐振电路放大倍数有限，不能满足要求，必须搭建多级电路，多级分立元件组成的电路易受干扰影响，不稳定因素增加。考虑到高频信号电路的易受干扰性，我们选择应用集成芯片与分立元件混合搭建。 3、总体方案描述 1）总体思

11、路 输入的小信号由分立元件组成的电阻网络衰减器衰减为更小的微信号，然后进入AD603搭建的前级放大电路，最后进入由分立元件搭建成的LC谐振荡。 电源模块 2）系统结构框图滤波电路示波器高频信号发生器衰减器电压放大LC谐振放大图1 系统总体方案框图三、理论分析与计算1、衰减器 按题目要求，信号衰减量为40dB2dB，特性阻抗为50。因此我们设计的衰减器是由电阻元件组成的四端网络，它的特性阻抗、衰减都是与频率无关的常数，相移等于零。为了使衰减器的频带与放大器相适应，在信号衰减后接一个带通滤波器，实现与放大器相适应的频带。2、谐振频率 放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于

12、所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为 式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C 为调谐回路的总电容，高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。谐振 C=1/L，通过计算可以确定 LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。以15MHz 放大器为例，经计算得电感为4.7uH 时选用 335pF 的可调电容完全可以达到谐振频率，但接好电路后很少能够调到15MHz。多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算的频率，这就要用其它办法来确定放大器的谐振频率。可以在放大器输入端加一幅度恒定的信号，然后改变其频率，用

13、示波器观察输出信号在哪一频率下最大，从而找到谐振频率，然后进一步确定所需频率的调谐回路的电感电容值的大小。这一方法思路简单，可行性也较强。 3、放大倍数 放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。我们要求放大60dB也就是1000倍。AV0的表达式为 式中，g为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180 而是为180 + fe。 4、-3dB 带宽 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍

14、时所对应的频率偏移称为放大器的-3dB 带宽，若其表达式为 式中，QL为谐振回路的品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数AV0与-3dB 带宽BW 的关系为 上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容C为定值时，谐振电压放大倍数AV0与-3dB 带宽的乘积为一常数。 5、选择性矩形系数 调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数K0.1时来表示，矩形系数K0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707AV0时对应的频率偏移之比，即 上式表明，矩形系数K0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩

15、形系数KV0.1远大于1），为提高放大器的选择性，采用多级调谐回路的谐振放大器。 图2 单级 LC 谐振放大电路图 四、单元模块设计1、衰减电路 根据型网络设计衰减器。如图 3 所示。 图3 40dB衰减器2、第一级放大电路设计 如图 4 所示。由于 AD603的输入阻抗为 100，故在输入端要接 100的电阻R 到地，使放大器输入阻抗为50 。电路增益由 1、2 脚间电压差VG控制，2脚接固定参考电压，1 脚由变位器手动调节控制，实现增益连续调节。AD603 的增益G(dB) =40VG+G0，AD603 的 5、7 角间接2.7k。图4 AD603前置放大电路3、后级 LC 谐振放大电路

16、为了保证电路的稳定性采用多级放大，放大电路为图 5 。为了放大电压，两级电路都采用共射级放大电路，两级电路间用一个很小的电容后面接两个方向相反的二级管到地。这就起到了很好的稳压作用，保证后级放大电路输入信号的稳定性。经过后级的谐振选频放大，再放大后的信号幅度比较大。 图5 LC谐振放大器4、滤波 为了得到更好以15MHz 中心频率频率的幅频特性，在输出加上一个中心频率15MHz 频率，-3dB 带宽300KHz 的带通滤波器。如图 6 所示。图6 带通滤波器图7 谐振曲线五、放大器各项性能指标及测量方法 1、测试仪器 （1）EE105 型高频信号发生器 （2）TD1012 双踪示波器 2、测试

17、方案和结果 （1）谐振频率 谐振频率f0的测量方法是：也可以通过点频法改变输入信号频率，得到输出增益随频率变化的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值即对应谐振频率点f 0。 （2）电压放大倍数 AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图3中输出信号V0及输入信号Vi的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算： （3）-3dB 带宽 -3dB带宽的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是逐点法。 逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压VS不变），并测出对应的电压放大倍数AV0。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图 2 所示。 可得： 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。（4）矩形系数 可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数KV0.1。 图8 频率特性曲线表1 逐点法-3dB带宽输入频率f（MH